一種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼，屬于金屬材料領(lǐng)域，它的組成如下，均為質(zhì)量百分比：C：0.01～0.15%，Mn：0.5～2.0%，Cr：0.1～2.0%，Cu：0.1～0.5%，Si：0.4～2.0%，Mo：0.01～0.5%，Al：0.005～0.01%，Mg：0.0001～0.0015%，Ca：0.0001～0.0015%，Sn：0.01～0.10%，Nb：0.01～0.2%，Ti：0.01～0.2%，S≤0.010%，P≤0.010%，其余為Fe；其制備方法包括：冶煉、鑄錠、熱軋、淬火及回火、冷拔或冷軋、光亮退火。本發(fā)明的雙相鋼含有微量Sn元素和少量的Cr元素，具有低碳、高強(qiáng)度、高抗腐蝕性能、高膨脹成型性能，該鋼材能夠在油氣田的復(fù)雜鉆井完井和等井徑井以及高級(jí)別的六級(jí)分支井分叉裝置膨脹系統(tǒng)等環(huán)境中安全使用，其制備方法原理可靠，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。
【專利說(shuō)明】一種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼及 其制備方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及到現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中需要在水基介質(zhì)中工作的高耐 腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼及其制備方法，特別是涉及石油天然氣工業(yè)中到復(fù)雜鉆井 和等井徑井大膨脹率可膨脹管和六級(jí)分支井分叉裝置膨脹系統(tǒng)用高耐腐蝕的大膨脹率膨 脹管用雙相鋼及其制備方法。 【背景技術(shù)】
[0002] 膨脹管技術(shù)是一項(xiàng)前景非常廣闊的石油鉆采技術(shù)，為鉆井、固井、修井等工程領(lǐng)域 提供了新的解決途徑。在鉆井、完井或修井作業(yè)中，利用機(jī)械壓力或液壓將膨脹工具沿軸向 在套管內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，用冷加工的方式使整根套管沿徑向膨脹變形，從而達(dá)到節(jié)省套管與套管 之間環(huán)形空間、擴(kuò)大鉆井直徑的目的。目前，國(guó)內(nèi)外膨脹管專用鋼材的研發(fā)尚處于初期階 段，尚無(wú)法滿足膨脹管技術(shù)的要求，國(guó)內(nèi)的可膨脹管用鋼研究目前主要集中在高成本的高 合金含量的相變誘發(fā)塑性鋼和雙相不銹鋼中。因此開(kāi)發(fā)低成本大膨脹率膨脹管用鋼仍然是 發(fā)展膨脹管技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
[0003] 對(duì)于可膨脹管用鋼，考慮到膨脹管的膨脹過(guò)程實(shí)質(zhì)上是金屬材料在井下溫度場(chǎng) (50?350°C )中的塑性變形過(guò)程，因此對(duì)膨脹管用鋼的性能要求主要有以下幾個(gè)方面：
[0004] (1)膨脹管井下膨脹時(shí)的膨脹驅(qū)動(dòng)力應(yīng)該不大于現(xiàn)有的鉆機(jī)可提供的動(dòng)力；
[0005] (2)膨脹管井下膨脹后的性能，包括：錨定懸掛強(qiáng)度、鋼管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度 以及延伸率等其它力學(xué)性能指標(biāo)仍能夠達(dá)到API5CT中對(duì)于石油套管鋼材的性能要求；
[0006] (3)膨脹管應(yīng)具有較低的Bauschinger效應(yīng)以滿足套管膨脹后仍具有較高的抗擠 毀強(qiáng)度；
[0007] (4)膨脹管用鋼管應(yīng)具有壁厚均度和較小的橢圓度，以滿足膨脹管均勻膨脹的膨 脹極限和錨定要求；
[0008] (5)膨脹管用鋼，應(yīng)具有較高的抗油田采出水腐蝕能力，在酸性環(huán)境中還要求具有 較強(qiáng)的抗C02腐蝕、H2S腐蝕和H2S/C02腐蝕的能力。
[0009] 這就要求可膨脹管用鋼應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
[〇〇1〇] (1)應(yīng)該具有較低的屈服強(qiáng)度、較低的屈強(qiáng)比、較高的抗拉強(qiáng)度、良好的塑性；
[0011] (2)應(yīng)該具有較高的均勻變形能力和加工硬化性能，較高的應(yīng)變硬化指數(shù)η值，較 好的應(yīng)變硬化系數(shù)Κ值、高且穩(wěn)定的應(yīng)變速率指數(shù)m值和較高的鋼管厚向異性指數(shù)r值， 同時(shí)還有優(yōu)良的微觀均勻變形能力Λ以及較強(qiáng)的綜合變形能力F，以滿足膨脹管材料膨脹 過(guò)程的均勻性膨脹和需要的膨脹后的高力學(xué)性能要求。
[0012] (3)膨脹管用鋼的包申格效應(yīng)：
[〇〇13] 包申格效應(yīng)是指金屬材料預(yù)先加載產(chǎn)生一定量的塑性變形后卸載，再同向產(chǎn)生塑 性變形時(shí)，屈服強(qiáng)度升高；反向產(chǎn)生塑性變形時(shí)，屈服強(qiáng)度降低的一種物理現(xiàn)象。由于膨脹 管技術(shù)要求膨脹后的套管保持高的抗擠毀強(qiáng)度，套管的抗擠毀強(qiáng)度是與套管鋼材的屈服強(qiáng) 度密切相關(guān)的。因此，膨脹管專用鋼材的包申格效應(yīng)應(yīng)該盡量的小，以保證膨脹后的套管的 抗擠毀強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)榕蛎涀冃味档汀?br> [0014] (4)膨脹管鋼管膨脹后的徑向回彈率：
[〇〇15] 膨脹套管膨脹后的徑向回彈是影響膨脹后套管的正常使用的重要因素。因此控制 膨脹后的回彈率的高低也是影響膨脹管膨脹用鋼的關(guān)鍵問(wèn)題之一。膨脹后的回彈率的高低 也是影響膨脹管膨脹用鋼的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
[0016] 鐵素體馬氏體雙相鋼是上世紀(jì)七十年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種以Mn、Si為主要合 金元素的低合金高強(qiáng)度鋼，其顯微組織是由軟相的鐵素體基體和散布于基體中的硬相馬氏 體組成。該組織的形成是通過(guò)兩相區(qū)淬火后形成，并且可以通過(guò)不同的兩相區(qū)淬火溫度的 調(diào)節(jié)改變鐵素體與馬氏體兩相比例來(lái)調(diào)節(jié)鋼材的力學(xué)性能。鐵素體馬氏體雙相鋼具有較優(yōu) 良的強(qiáng)度、延性與成型性。但是，鐵素體馬氏體雙相鋼是以Mn、Si為主要的合金化元素的具 有雙相組織的鋼材，在油田采出液環(huán)境中抗腐蝕性能很差，對(duì)于石油天然氣工業(yè)中長(zhǎng)期受 到油氣層采出水侵蝕的環(huán)境的可膨脹管用鋼，就存在很大的技術(shù)隱患。
[0017] 如中國(guó)專利CN101812631A公開(kāi)了油井可膨脹套管用鋼及其制造方法，油井可膨 脹套管用鋼合金材料各組分的質(zhì)量百分比為：C :0. 08?0. 2%、Μη :1?2%、Si :0. 15? 0· 35%、A1 :0· 02 ?0· 06%K 0· 01%、S < 0· 005%、N< 0· 008%、Ca :0· 001 ?0· 005%、 余量為Fe，為了保證該材料的性能，制造的鋼管須在730?790°C的F+A兩項(xiàng)區(qū)進(jìn)行等溫處 理，然后再350?450°C等溫一定時(shí)間以獲得F+無(wú)碳B+殘余A的金相纖維組織。雖然具有 上述鋼合金材料組分的管材可利用膨脹過(guò)程中的相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)，但是該可膨脹管材的 變形率只有15%。另外，該套管因尺寸長(zhǎng)度達(dá)8?10m，在730?790°C的F+A兩項(xiàng)區(qū)加熱 及350?450°C等溫?zé)崽幚聿粌H工藝復(fù)雜，大規(guī)模生產(chǎn)的工藝控制難度大，而且制造成本很 商；
[0018] 中國(guó)專利CN102517511A公開(kāi)了高膨脹石油套管用鋼及其用于制作石油套管的 方法，涉及鐵基合金，其元素組成原料按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)為：C :0.03?0.25 %、Si :0.3? 2· 5%、Mn :0· 5 ?4. 0%、Cr :0 ?0· 5%、S 彡 0· 02%、P 彡 0· 02%和 Fe :余量，也可再加入 Nb、Ti和V之中的一種、兩種或三種，經(jīng)冶煉并制成鋼管坯或鋼板；由鋼管坯采用無(wú)縫管成 型技術(shù)制成高膨脹率無(wú)縫石油管套和由鋼板采用直縫電阻焊制成高膨脹率有縫石油套管。 雖然制成的石油套管的膨脹率> 30%，具有高膨脹率和低成本，但是對(duì)于鋼材在油田采出 水環(huán)境中的抗腐蝕性能沒(méi)有考慮。
[0019] 因此，對(duì)于針對(duì)石油天然氣工業(yè)中的需要，開(kāi)發(fā)具有良好成型性能的高強(qiáng)塑性、抗 腐蝕性能良好的鐵素體馬氏體雙相鋼就成了解決這種問(wèn)題的關(guān)鍵。
[0020] 提高鋼材在油氣田采出水環(huán)境中的抗腐蝕能力，在鐵素體馬氏體雙相鋼中添加少 量Cr元素是最為有效的手段，Cr是可以與Fe形成連續(xù)固溶體、縮小奧氏體相區(qū)的元素 ，Cr 在含氧環(huán)境中形成致密、穩(wěn)定的Cr203保護(hù)薄膜，是阻止介質(zhì)對(duì)金屬基體的繼續(xù)滲入腐蝕 具有很強(qiáng)鈍化能力的元素，另外Cr作為合金元素添加到鋼中可以提高鋼的自腐蝕電位，減 小自腐蝕電流，并且在Cr含量達(dá)到一定濃度，即當(dāng)Cr的原子比達(dá)到1/8、2/8、3/8、一11/8, 鐵基固溶體的電極電位會(huì)跳躍式地增高，腐蝕也因此而減弱。鋼的耐腐蝕性能會(huì)明顯地提 高，Cr是對(duì)鋼材的固溶強(qiáng)化作用較弱的元素之一，并且在Cr含量小于1. 5%的條件下，隨 著鋼材Cr含量的增加，鋼材在水基溶液中的自腐蝕電位增高、自腐蝕電流減小。根據(jù)鋼的 合金化原理，當(dāng)鋼中Cr含量不高時(shí)與Cu元素的聯(lián)合加入對(duì)鋼材抗腐蝕性能提高更為有效。 因此在鋼中聯(lián)合添加 Cr和Cu兀素對(duì)于提1?鋼材的抗水基介質(zhì)的腐蝕能力最為有效。
[0021] Sn元素是元素周期系第IV A族元素，原子序數(shù)50,原子量118. 69, Sn元素有三種 同素異構(gòu)體：白Sn，灰Sn和脆Sn。Sn元素在鋼中是典型的內(nèi)吸附元素，在鋼中與Fe形成 固溶體的量非常微小，大部分Sn元素是以低熔點(diǎn)金屬形式偏聚在晶界處，導(dǎo)致含Sn鋼的高 溫?zé)峒庸ば阅茏儔模@正是傳統(tǒng)的冶金觀念一直認(rèn)為Sn元素是鋼中有害元素的根本緣故。 但是，也有人認(rèn)為，如果不考慮Sn對(duì)鋼高溫性能的影響，在鋼中加入微少量Sn可提高鋼的 耐腐蝕性，其強(qiáng)度也有一定提高，而對(duì)塑性卻影響不大。如：在鑄鐵中加入微量Sn元素，可 以明顯的提1?鑄鐵的性能。
[0022] 近年來(lái)，由于鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展，特別是純凈鋼超純凈鋼技術(shù)伴隨的真空脫氣 技術(shù)RH、V0D、A0D的發(fā)展，導(dǎo)致的超低碳超純鐵素體不銹鋼的產(chǎn)生，以及共偏聚強(qiáng)韌化理論 的發(fā)展，特別是2010年，新日鐵住金不銹鋼公司（NSSC)確立了通過(guò)添加質(zhì)量比約0.1%的 Sn元素，使鐵素體類（鉻類）不銹鋼的Cr含量可以降低3%以上，同時(shí)鋼材的耐腐蝕性能 得到飛躍性提高的技術(shù)。
[0023] 鑒于以上的技術(shù)背景，發(fā)明人在以常規(guī)Μη和Si為主要合金化元素的鐵素體馬氏 體雙相鋼的基礎(chǔ)上，采用純凈化冶煉技術(shù)、添加少量提高抗腐蝕性能合金元素 Cr、Cu、Mo以 及微量的Sn元素和Ti、Nb等微合金化元素開(kāi)發(fā)了一種含有微量Sn元素的高抗腐蝕大膨脹 率膨脹管用鐵素體馬氏體雙相鋼并根據(jù)可膨脹管技術(shù)對(duì)可膨脹管的技術(shù)要求，開(kāi)發(fā)了滿足 這些要求的可膨脹管鋼的制備方法，取得了良好的效果。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種含有微量Sn元素和少量的Cr 元素，具有低碳、高強(qiáng)度、高抗腐蝕性能、高膨脹成型性能的鐵素體馬氏體雙相鋼，該鋼材能 夠在油氣田的復(fù)雜鉆井完井和等井徑井以及高級(jí)別的六級(jí)分支井分叉裝置膨脹系統(tǒng)等環(huán) 境中安全使用。
[0025] 本發(fā)明的另一目的在于提供高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼 的制備方法，該方法原理可靠，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。
[0026] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0027] -種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼，所述雙相鋼組成如下， 均為質(zhì)量百分比：C :0· 01 ?0· 15%，Mn :0· 5 ?2. 0%，Cr :0· 1 ?2. 0%，Cu :0· 1 ?0· 5%， Si :0· 4 ?2. 0 %，Mo :0· 01 ?0· 5 %，A1 :0· 005 ?0· 01 %，Mg :0· 0001 ?0· 0015 %，Ca : 0· 0001 ?0· 0015%，Sn :0· 01 ?0· 10%，Nb :0· 01 ?0· 2%，Ti :0· 01 ?0· 2%，S 彡 0· 010%， P彡0· 010%，其余為Fe。
[0028] -種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼的制備方法，它包括以下 步驟：
[0029] S1.以工業(yè)純鐵、廢鋼、鉻、錳、硅、錫和磷鐵為原料，采用氧化鈣坩堝在真空度為 1 X ΚΓ4?1 X l(T3Pa的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉，熔煉過(guò)程采用兩次精煉方式，一次精煉溫度 彡1650°C，精煉時(shí)間為10?40min，二次精煉溫度彡1650°C，精煉時(shí)間為10?40min ;
[0030] S2.鑄錠：冶煉后用純鋁、純鎂和純鈣強(qiáng)制脫氧，真空脫氣后進(jìn)行鑄錠，鋼水澆鑄 溫度為1500?1550°C，采用控制澆鑄成鋼坯，澆注壓力為1?3atm，澆注速度為35?40mm/ s ；
[0031] S3.熱軋：鋼坯經(jīng)1100?1150°C、45?52h擴(kuò)散退火后，經(jīng)熱軋制成鋼管或板材， 熱軋起始溫度為1200?1250°C，終軋溫度> 850°C，熱軋后空冷，熱軋后將鋼材進(jìn)行900? 950°C加熱正火處理；
[0032] S4.淬火及回火：將經(jīng)正火處理后的鋼管或板材在740?780°C臨界區(qū)淬火，200°C 回火熱處理1. 5?2. 5h，得鐵素體+馬氏體的雙相鋼組織鋼管或板材；
[0033] S5.冷拔或冷軋：將淬火及回火處理后的鋼管或板材經(jīng)冷拔或冷軋制成精密無(wú)縫 鋼管，將板材進(jìn)行冷軋制成高頻直縫焊管的基礎(chǔ)板材；
[0034] S6.光亮退火：將冷拔或冷軋后的精密無(wú)縫鋼管、高頻直縫焊管的基礎(chǔ)板材經(jīng) 680?700°C、1. 5?2. 5h光亮退火，得高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼。
[0035] 進(jìn)一步地，所述工業(yè)純鐵和廢鋼的含碳量< 0. 0218%、純度為99. 8?99. 9%，鉻 的純度> 99. 5%，錳的純度> 99. 5%，硅鐵合金和錫的純度> 99. 5%。
[0036] 該鋼材的冶煉方式采用在感應(yīng)加熱真空爐中冶煉、二次精煉（第一次精煉脫碳控 制鋼中的含碳量，第二次精煉脫硫磷）、深度脫硫脫氧、真空脫氣、控制澆鑄。特別是，在冶 煉中為進(jìn)一步提高鋼的潔凈度，將鋼中的S降低到0.01%以下，非金屬夾雜的尺度控制在 10 μ m以下。
[0037] 本發(fā)明的一種高耐腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼成分設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：
[0038] (1)為了提高鋼材的抗腐蝕性能，采用低碳（0. 01?0. 15% )含量和恰當(dāng)?shù)摩恰?Si含量；
[0039] ⑵添加了少量的 Cr(0. 1 ?2. 0% )、Cu(0. 1 ?0· 5)和 Μο(0· 01 ?0· 1% )元素、 以及微量的Sn元素；
[0040] (3)加入Mo元素可與Sn元素共同作用，既防止了 Sn元素在晶界處單一偏聚造成 的熱脆性，又形成了對(duì)鋼強(qiáng)韌化有益的共偏聚效應(yīng)；
[0041] (4)加入微少量的Ca元素與鋼中的Sn和S元素共同作用，會(huì)進(jìn)一步改善鋼材的冷 加工性能，還可以提高鋼材的純凈度；
[0042] (5)加入微少量的Mg元素可對(duì)鋼材進(jìn)行深度脫氧以提高其純凈度。
[0043] 采用如上的成分設(shè)計(jì)及制備方法，即可得到本發(fā)明的一種高耐油氣田采出水腐蝕 的大膨脹率膨脹管用雙相鋼，可以在石油與天然氣領(lǐng)域等含有腐蝕介質(zhì)的膨脹管技術(shù)中安 全應(yīng)用，該鋼材的組織為鐵素體馬氏體雙相，屈服強(qiáng)度為250?450MPa，抗拉強(qiáng)度為450? 700MPa，延伸率彡15%，屈強(qiáng)比彡0. 6,應(yīng)變硬化指數(shù)彡0. 2。
[0044] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0045] (1)本發(fā)明的鋼具有較低的Mn、Si含量和一定的微合金化元素 Nb、Ti，可以得到細(xì) 化的晶粒尺寸；
[0046] (2)本發(fā)明的鋼同時(shí)含有一定的Cr、Cu、Mo元素和微量的Sn元素，以提高鋼材的 抗水基介質(zhì)腐蝕能力；
[0047] (3)本發(fā)明的鋼為采用純Al、Mg、Ca脫氧的具有盡可能低的S、P元素含量和非金 屬夾雜含量的潔凈鋼，這是保證鋼材獲得高的膨脹性能的關(guān)鍵；
[0048] (4)本發(fā)明的鋼中含有少量的Mo元素，是因?yàn)樘砑恿松倭康腗o元素細(xì)化晶粒和提 高耐熱性能，尤其是抗蠕變性能，同時(shí)Mo元素可與Sn元素共同作用，既防止了 Sn元素在晶 界處的單一偏聚造成熱脆性，又可以形成對(duì)鋼強(qiáng)韌化有益的共偏聚效應(yīng)；
[〇〇49] (5)本發(fā)明的鋼是具有低碳、高強(qiáng)度、高抗腐蝕性能、高膨脹成型性能的鐵素體馬 氏體雙相鋼，該鋼材能夠在油氣田的復(fù)雜鉆井完井和等井徑井以及高級(jí)別的六級(jí)分支井分 叉裝置膨脹系統(tǒng)等環(huán)境中安全使用；
[0050] (6)本發(fā)明方法原理可靠，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。 【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1為實(shí)施例1中經(jīng)熱軋后將鋼管進(jìn)行900°C加熱正火處理后的組織結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0052] 圖2為實(shí)施例1中將經(jīng)正火處理后的鋼管在740°C臨界區(qū)淬火，200°C回火熱處理 2h后的組織結(jié)構(gòu)圖，其中圖（a)為光學(xué)顯微鏡圖片，圖（b)為電鏡掃描圖片；
[0053] 圖3為實(shí)施例1中將鋼管經(jīng)680°C、1. 5h光亮退火后的組織結(jié)構(gòu)圖，其中圖（a)為 光學(xué)顯微鏡圖片，圖（b)為電鏡掃描圖片；
[0054] 圖4為實(shí)施例1中將冷拔后的鋼管經(jīng)30%膨脹，用4%的硝酸酒精侵蝕，500倍的 光學(xué)顯微鏡下觀察的組織照片；
[0055] 圖5為機(jī)械性能測(cè)試中鋼管拉伸試樣示意圖；
[0056] 圖6為實(shí)施例1中鋼管經(jīng)900°C加熱正火處理、740°C臨界區(qū)淬火后的拉伸曲線示 意圖；
[0057] 圖7為實(shí)施例1中鋼管經(jīng)680°C、1. 5h光亮退火處理后的拉伸曲線示意圖。 【具體實(shí)施方式】
[0058] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以 下所述。
[0059] 實(shí)施例1 : 一種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼管，所述雙相 鋼管組成如下，均為質(zhì)量百分比：C :0· 12%，Μη :1· 0%，Cr :1· 4%，Cu :0· 5%，Si :1· 2%， Mo ：0. 10%, A1 ：0. 01%, Mg ：0. 001%, Ca ：0. 0001%, Sn ：0. 10%, Nb ：0. 15%, Ti ：0. 01%, S 為 0. 01%，P 為 0. 010%，其余為 Fe。
[0060] 上述高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼管的制備方法，它包括以 下步驟：
[0061] S1.冶煉：真空感應(yīng)爐冷態(tài)時(shí)的極限真空度抽至IX 10_4Pa，合金料中純鐵（含碳量 <0· 0218 %、純度為99. 8 %?99. 9 % )外表面氧化皮不打磨，與廢鋼（含碳量<0· 0218 %、 純度為99. 8%?99. 9% )和純度> 99. 5%的Cr、Mo、Cu、Si和磷鐵放入氧化鈣坩鍋，送電 熔化至液態(tài)進(jìn)行一次精煉，精煉溫度為1650°C，時(shí)間lOmin，真空度< l(T3Pa ;加入金屬純A1 進(jìn)行預(yù)脫氧；升溫進(jìn)行二次精煉，精煉溫度為1650°C，時(shí)間lOmin，真空度< l(T3Pa ;
[0062] S2.鑄錠：二次精煉完畢，加入金屬Ti和Nb，送電熔化再加入Μη和Sn至液態(tài)，順序 加入金屬純A1、金屬純Mg和金屬純Ca進(jìn)行終脫氧；抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度不小于l(T 3Pa，保 持抽真空進(jìn)行脫氣時(shí)間不少于10分鐘后澆鑄，澆注溫度為1500°C，采用控制澆鑄成鋼坯， 燒注壓力為latm，燒注速度為35mm/s ;
[0063] S3.熱軋：鋼坯經(jīng)110(TC、45h擴(kuò)散退火后，經(jīng)熱軋制成直徑114mm、壁厚8mm的鋼 管，熱軋起始溫度為1200°C，終軋溫度為850°C，熱軋后空冷，熱軋后將鋼管進(jìn)行900°C加熱 正火處理，其鋼管的組織結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，從圖1可以看出，經(jīng)正火處理后的鋼的組織為 鐵素體加少量珠光體；
[0064] S4.淬火及回火：將經(jīng)正火處理后的鋼管在740°C臨界區(qū)淬火，200°C回火熱處理 2h，得鐵素體+馬氏體的雙相鋼組織鋼管，其鋼管的光學(xué)顯微鏡照片如圖2 (a)所示，掃描電 鏡照片如圖2(b)所示，經(jīng)圖像分析結(jié)果證明，經(jīng)740°C臨界區(qū)淬火馬氏體（包括少量殘余 奧氏體）含量為18.57% ;從2(a)可以看出，在臨界區(qū)溫度740°C后水淬，雙相鋼組織中的 馬氏體沿先共析鐵素體晶界分布，在金相和掃描電鏡中顯示為無(wú)規(guī)則小島狀，形態(tài)上還保 留著原先正火后奧氏體邊界的痕跡，即在鐵素體周邊分布著均勻的馬氏體島；
[0065] S5.冷拔及光亮退火：將淬火及回火處理后的鋼管經(jīng)冷拔縮徑至直徑108mm、厚度 為6. 5mm，經(jīng)680°C、1. 5h光亮退火，最后進(jìn)行內(nèi)孔珩磨加工制成高耐腐蝕的脹率達(dá)到30% 的側(cè)鉆水平井膨脹管用鋼管。鋼管經(jīng)冷拔后，經(jīng)680°C、1. 5h光亮退火的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖 3所示，圖（a)為200倍光學(xué)纖維組織照片，圖（b)為2000倍的SEM照片，由圖3可以看出： 鋼管經(jīng)冷拉拔后，雖經(jīng)680°C、1. 5h光亮退火，其光學(xué)顯微鏡組織呈現(xiàn)出明顯的晶粒拉長(zhǎng)現(xiàn) 象，且由于冷拔變形造成的鋼材的織構(gòu)和不同晶粒的空間位相差別，使得不同晶粒的空間 位相差別導(dǎo)致不同晶粒在侵蝕劑的作用下呈現(xiàn)出不同的反差。將冷拔后的鋼管經(jīng)30%膨 脹，用4%的硝酸酒精侵蝕，500倍的光學(xué)顯微鏡下觀察組織照片，如圖4所示，從圖4可以 看出經(jīng)過(guò)冷拔縮徑后再進(jìn)行30%膨脹的鋼管組織進(jìn)過(guò)膨脹變形后，作為雙相鋼基體的軟相 鐵素體晶粒呈現(xiàn)明顯的形變特征，由膨脹前的等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浐蟮难嘏蛎浄ㄏ蚍较虻谋?平狀，而硬相馬氏體相基本保持了形變前的沿鐵素體晶界呈塊狀分布的狀況。
[〇〇66] 一、機(jī)械性能測(cè)試：
[0067] L實(shí)驗(yàn)方法：在MTS810萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上按GB/T228. 1-2010《金屬材料室溫拉 伸試驗(yàn)方法》對(duì)實(shí)施例1的鋼管進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，試樣采用線切割沿鋼管軸向截取，加工 成片狀拉伸試樣，試樣厚度a = 1. 4mm。試驗(yàn)每組采用三個(gè)平行試樣，對(duì)所得結(jié)果取平均值， 其形狀和尺寸如圖5所示，圖中試樣尺寸單位為mm。
[0068] 2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖6、圖7、表1、表2所不。
[0069] (1)圖6為鋼管經(jīng)900°C加熱正火處理、740°C臨界區(qū)淬火后的拉伸曲線，由圖6 可以看出經(jīng)900°C加熱正火處理、740°C臨界區(qū)淬火后鋼管具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：a.具有低屈 服強(qiáng)度；b.無(wú)屈服點(diǎn)伸長(zhǎng)，即表現(xiàn)為連續(xù)的屈服特性。從圖6的拉伸曲線可以看出，具有 19. 87%馬氏體相的鐵素體馬氏體雙相鋼拉伸曲線沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，鋼材的屈服屬于連 續(xù)屈服，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈光滑的拱形，無(wú)屈服點(diǎn)延伸，這對(duì)于避免成型零件表面起皺， 從而不需要附加的精整工序非常重要，該鋼具有高的加工硬化速率，尤其是初始的加工硬 化速率，這樣，只需5%以下的應(yīng)變，就可使雙相鋼的流變應(yīng)力達(dá)到500?550MPa，與通常低 合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度相當(dāng)。同時(shí)實(shí)施例1鋼管具有低的屈服強(qiáng)度，這使工件易于成型、 回彈小，同時(shí)工模具的磨損也小，鋼材具有高的抗拉強(qiáng)度。由于屈服強(qiáng)度低、抗拉強(qiáng)度高，構(gòu) 件易于成型且成型后的構(gòu)件具有高的壓潰抗力、撞擊吸能和高的疲勞強(qiáng)度；另外，由實(shí)施例 1鋼管的拉伸曲線可以看出，鋼材均勻伸長(zhǎng)率和總伸長(zhǎng)率大與同樣強(qiáng)度的低合金高強(qiáng)度鋼 相比，實(shí)例1雙相鋼的均勻伸長(zhǎng)率和總伸長(zhǎng)率要高1/3左右。
[0070] (2)圖7為鋼管經(jīng)680°C、1.5h光亮退火處理后的拉伸曲線，由圖7可以看出鋼 管經(jīng)過(guò)冷拉拔后的光亮退火后的拉伸曲線與圖6類似，只是鋼材經(jīng)過(guò)冷拉拔強(qiáng)度、延伸率 稍有減低，對(duì)于進(jìn)行膨脹實(shí)驗(yàn)后的鋼管再進(jìn)行拉伸時(shí)，變得比較特殊；經(jīng)過(guò)膨脹形變后的鋼 管，由于加工硬化導(dǎo)致在進(jìn)行拉伸時(shí)雖然保留了雙相鋼拉伸沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)的特性，但是 不間斷的連續(xù)屈服階段消失，且鋼管屈服后和快到達(dá)強(qiáng)度峰值，隨后強(qiáng)度快速下降直至斷 裂。
[0071] (3)表1為實(shí)施例1的鋼管經(jīng)900°C加熱正火處理、740°C臨界區(qū)淬火處理和鋼管 經(jīng)740°C臨界區(qū)淬火再經(jīng)不同膨脹率膨脹處理后的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果。
[0072] 表1 :實(shí)施例1鋼管的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果
[0073]
【權(quán)利要求】
1. 一種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼，其特征在于，所述雙相鋼 組成如下，均為質(zhì)量百分比：C :0· 01?0· 15%，Μη :0· 5?2. 0%，Cr :0· 1?2. 0%，Cu :0· 1? 0· 5%，Si :0· 4 ?2. 0%，Mo :0· 01 ?0· 5%，A1 :0· 005 ?0· 01%，Mg :0· 0001 ?0· 0015%，Ca : 0· 0001 ?0· 0015%，Sn :0· 01 ?0· 10%，Nb :0· 01 ?0· 2%，Ti :0· 01 ?0· 2%，S 彡 0· 010%， P彡0· 010%，其余為Fe。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼，其 特征在于，所述雙相鋼的屈服強(qiáng)度為250?450 MPa，抗拉強(qiáng)度為450?700MPa，延伸率 彡15%，屈強(qiáng)比< 0. 6,應(yīng)變硬化指數(shù)彡0. 2。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼的制 備方法，其特征在于，它包括以下步驟：
51. 冶煉：以工業(yè)純鐵、廢鋼、鉻、錳、硅、錫和磷鐵為原料，采用氧化鈣坩堝在真空度為 1 X ΚΓ4?1 X l(T3Pa的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉，熔煉過(guò)程采用兩次精煉方式，一次精煉溫度 彡1650°C，精煉時(shí)間為10?40min，二次精煉溫度彡1650°C，精煉時(shí)間為10?40min ;
52. 鑄錠：冶煉后用純鋁、純鎂和純鈣強(qiáng)制脫氧，真空脫氣后進(jìn)行鑄錠，鋼水澆鑄溫度 為1500?1550°C，采用控制澆鑄成鋼坯，澆注壓力為1?3atm，澆注速度為35?40mm/s ;
53. 熱軋：鋼坯經(jīng)1100?1150°C、45?5?擴(kuò)散退火后，經(jīng)熱軋制成鋼管或板材，熱 軋起始溫度為1200?1250°C，終軋溫度> 850°C，熱軋后空冷，熱軋后將鋼材進(jìn)行900? 950°C加熱正火處理；
54. 淬火及回火：將經(jīng)正火處理后的鋼管或板材在740?780°C臨界區(qū)淬火，200°C回 火熱處理1. 5?2. 5h，得鐵素體+馬氏體的雙相鋼組織鋼管或板材；
55. 冷拔或冷軋：將淬火及回火處理后的鋼管或板材經(jīng)冷拔或冷軋制成精密無(wú)縫鋼 管，將板材進(jìn)行冷軋制成高頻直縫焊管的基礎(chǔ)板材；
56. 光亮退火：將冷拔或冷軋后的精密無(wú)縫鋼管、高頻直縫焊管的基礎(chǔ)板材經(jīng)680? 700°C、1. 5?2. 5h光亮退火，得高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種高耐油氣田采出水腐蝕的大膨脹率膨脹管用雙相鋼的制 備方法，其特征在于，所述工業(yè)純鐵和廢鋼的含碳量< 〇. 0218%、純度為99. 8?99. 9%，鉻、 錳、硅和錫的純度> 99. 5%。
【文檔編號(hào)】C21D8/02GK104109813SQ201410315892
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】李春福, 申文竹, 宋開(kāi)紅, 童麗華, 張鳳春, 文平, 鄧治國(guó), 肖淇, 何繼寧 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)